船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚溟y流動(dòng)特性分析＊

郭 元，肖朝南，李亞洲，陳 康，雷 剛，李 棟

（1.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 永川 402160；2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 永川 402160；3.大功率柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 永川 402160；4.重慶理工大學(xué)，重慶 巴南 400054）

1 引言

近年，世界各國(guó)對(duì)碳排放制定嚴(yán)格法規(guī)。中國(guó)在碳排放提出了“2030碳達(dá)峰/2060碳中和”政策[1]。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要以天然氣和輕柴油為主要燃料，相比燃燒純柴油，天然氣的使用不僅減少NOx、SOx和顆粒物，而且具有高熱值、低碳排放等優(yōu)點(diǎn)。燃?xì)鈬娚潆姶砰y作為燃料噴射系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，天然氣屬于可壓縮性介質(zhì)，燃?xì)鈬娚溟y的氣密性和流量的控制，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、排放情況[2-3]。學(xué)者們?cè)谌剂蠂娚溟y領(lǐng)域做了相關(guān)的研究工作。武漢理工大學(xué)李遲等[4]建立雙燃料噴射閥流量特性試驗(yàn)，通過改變進(jìn)出口壓力分析閥的流量特性。重慶紅江李鵬豪等[5]在船用中高速雙燃料改造技術(shù)做了應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，滿足主機(jī)工作需求。海裝豐崢嶸[6]基于ABAQUS搭建燃?xì)忾y沖擊仿真模型，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析結(jié)果證明燃?xì)忾y密封性良好，保證強(qiáng)度和壽命要求。

本研究以某雙燃料燃?xì)鈬娚溟y為研究對(duì)象，建立三維流動(dòng)仿真模型，在不同工作條件下進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，總結(jié)其流量特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，為產(chǎn)品的開發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 模型及實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.1 模型

燃?xì)鈬娚溟y三維剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。由電磁閥組件、閥殼體、限程盤、閥片以及閥座等組成。

圖1 噴射閥三維剖面

燃?xì)忾y中存在較多的微小圓角區(qū)域，為了便于網(wǎng)格的劃分，保證計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除對(duì)計(jì)算無影響的特征。采用ANSYS SCDM軟件填充功能抽取計(jì)算流域，其整個(gè)計(jì)算流域是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取1/2區(qū)域進(jìn)行流動(dòng)過程分析，節(jié)省計(jì)算資源的同時(shí)也方便計(jì)算結(jié)果的后處理[7-8]。對(duì)稱模型如圖2所示。燃?xì)鈴拈y殼體側(cè)面入口進(jìn)入閥芯腔體，經(jīng)節(jié)流間隙流出燃?xì)忾y。

圖2 流體模型

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

燃?xì)鈬娚溟y實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置主要由氮?dú)鈿馄俊⒎€(wěn)壓器、燃?xì)鈬娚溟y、測(cè)量腔以及控制單元等組成。實(shí)驗(yàn)利用定容法原理，向密閉容積室噴射一定氮?dú)猓ㄟ^測(cè)量容積室壓強(qiáng)變化，根據(jù)氣態(tài)方程間接測(cè)量燃?xì)赓|(zhì)量流量。

3 模型網(wǎng)格

計(jì)算模型完成后，合并小碎面，刪除尖角。將模型導(dǎo)入ANSYSY MESH中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)流間隙和節(jié)流孔的幾何尺寸較小，同一網(wǎng)格尺寸劃分會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量過于龐大，因此在這些位置進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，保證在小間隙網(wǎng)格至少5層，加密后的網(wǎng)格外觀如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格

計(jì)算流體介質(zhì)為天然氣，氣體屬于可壓縮性流體，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果敏感，因此計(jì)算前期對(duì)網(wǎng)格開展無關(guān)性驗(yàn)證。軟件改變網(wǎng)格尺寸參數(shù)得到20～180萬網(wǎng)格模型，設(shè)置同一邊界條件和物理屬性，監(jiān)測(cè)進(jìn)口質(zhì)量流量，計(jì)算收斂后統(tǒng)計(jì)質(zhì)量流量，不同網(wǎng)格數(shù)模型的結(jié)果如圖4所示，可知網(wǎng)格數(shù)量高于120萬，燃?xì)忾y質(zhì)量流量數(shù)值波動(dòng)趨于穩(wěn)定，因此確定模型網(wǎng)格數(shù)量為120萬。

圖4 不同網(wǎng)格下質(zhì)量流量

4 物性參數(shù)與邊界

天然氣作為燃?xì)忾y的流體介質(zhì)，物性參數(shù)見表1，該介質(zhì)為可壓縮性的理想氣體，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.033 2 w（/m·k），黏度為1.087×10-5kg（/m·s），分子量為16.043 kg/kmol[9]。

表1 物性參數(shù)

燃?xì)忾y響應(yīng)過程閥芯維持階段時(shí)間最長(zhǎng)，維持階段流量最大且穩(wěn)定，該階段閥芯全開。閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定，燃?xì)鈬娚溥^程不同工況僅改變?nèi)肟趬毫Γ?jì)算過程出口背壓為0.1 MPa，入口壓力范圍為0.2～0.7 MPa。邊界條件見表2。

表2 進(jìn)出口壓力邊界條件

5 湍流模型

FLUENT提供了多種計(jì)算湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、低雷諾Wilcox模型和menter模型、雷諾應(yīng)力模型、LES模型、DES模型、SST k-ω模型[10-11]。為了解決燃?xì)忾y可壓縮流動(dòng)問題，計(jì)算采用SST k-ω湍流模型，相比于其他湍流模型，SST k-ω模型包含了k-ω低雷諾數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊界層流動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型充分湍流的優(yōu)點(diǎn)。SST k-ω模型修正了湍流黏度項(xiàng)，并且也考慮了湍流剪應(yīng)力影響。該模型不會(huì)過度預(yù)測(cè)渦黏度，這也是SST k-ω模型在計(jì)算可壓縮流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。在近壁面附近，SST k-ω模型計(jì)算準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較好。在計(jì)算逆向壓力梯度也能表現(xiàn)出較好的預(yù)測(cè)性，因此能夠反映真實(shí)的壓力情況[12]。SST k-ω模型包含的k方程和ω方程以及參數(shù)如下式。

方程參數(shù)定義:

層流無滑移邊界：

6 結(jié)果分析

6.1 流量特性

計(jì)算結(jié)果見表3，表中列出了不同壓差下仿真流量和實(shí)驗(yàn)流量結(jié)果，背壓0.1 MPa。在最小進(jìn)出口壓差0.1 MPa，仿真流量為11.59 g/s，實(shí)驗(yàn)流量為10.84 g/s，相對(duì)誤差為6.92%。在最大進(jìn)出口壓差0.6 MPa，仿真流量為35.82 g/s，實(shí)驗(yàn)流量為35.10 g/s，相對(duì)誤差為2.05%。仿真和實(shí)驗(yàn)流量結(jié)果繪制成曲線如圖5所示，二者曲線都隨壓力增加而增加。在0.1～0.6 MPa范圍內(nèi)，流量曲線與壓力近似呈線性關(guān)系。

表3 流量結(jié)果

圖5 質(zhì)量流量曲線

6.2 云圖分析

燃?xì)忾y內(nèi)部流場(chǎng)特性分析有助于掌握閥內(nèi)部壓力、速度規(guī)律，F(xiàn)LUENT仿真云圖形象地展示了流場(chǎng)特性。文章篇幅所限和云圖規(guī)律相似，因此云圖展示進(jìn)出口壓力0.1 MPa、0.4 MPa以及0.6 MPa邊界。本研究選取一截面分析不同壓差下燃?xì)忾y內(nèi)部壓力分布和各位置馬赫數(shù)。從壓力云圖掌握燃?xì)忾y各個(gè)位置的節(jié)流情況，在天然氣流入進(jìn)氣口至閥座間隙的空間，天然氣壓力分布均勻，在閥座間隙處，氣體壓力開始下降，然后流經(jīng)閥座孔壓力繼續(xù)下降，孔內(nèi)壓力分布不均勻，孔的內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)較高。這是因?yàn)闅怏w經(jīng)過閥座間隙的過程，等效氣體通過節(jié)流孔，氣體在進(jìn)口腔室無流通面積變化，因此壓力均勻不變。氣體流經(jīng)閥座間隙過程流通截面突然減小，間隙發(fā)生節(jié)流損失，壓力迅速下降。氣體從間隙發(fā)生對(duì)沖匯集流入閥座孔，間隙左側(cè)的壓力損失較大，氣體開始膨脹，流體發(fā)生劇烈的擾動(dòng)，孔內(nèi)部壓力分布不均勻，孔的左側(cè)壓力較小。從表4可以看出燃?xì)忾y進(jìn)口壓力升高，節(jié)流損失位置不變，閥座孔及流出區(qū)域高壓區(qū)域面積增大，高壓區(qū)域延伸到燃?xì)忾y出口腔。

表4 云圖

馬赫數(shù)不僅反映了閥內(nèi)部流速與聲速比值大小，也反映了內(nèi)部氣體速度大小情況。從表4馬赫數(shù)云圖可以看出，燃?xì)忾y進(jìn)口腔馬赫數(shù)較低分布均勻，不同進(jìn)口壓力腔內(nèi)部的馬赫數(shù)低于0.3，閥座間隙和閥座孔的馬赫數(shù)較大，這兩個(gè)位置的平均馬赫數(shù)高于0.8。壓差為0.1 MPa時(shí)，最高馬赫數(shù)為0.9，燃?xì)饬魉俚陀诼曀伲藭r(shí)閥座孔最高速度臨近音速。壓差為0.2 MPa時(shí)，最高馬赫數(shù)為1.3，在閥座孔內(nèi)部氣體流速達(dá)到了超音速。隨著進(jìn)口壓力的增加，閥座孔內(nèi)部的馬赫數(shù)增加，高數(shù)值馬赫數(shù)范圍在孔附近向下擴(kuò)大。壓差為0.6 MPa時(shí)，閥座孔的平均馬赫數(shù)大于1.9，高數(shù)值馬赫數(shù)范圍延伸到燃?xì)獬隹谧髠?cè)靠近壁面附近。

7 結(jié)論

通過CFD 仿真技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)流量特性驗(yàn)證方法，研究結(jié)果歸納為：仿真與實(shí)驗(yàn)的燃?xì)赓|(zhì)量流量結(jié)果誤差小于6.92%，仿真計(jì)算技術(shù)應(yīng)用燃?xì)鈬娚溟y具有可靠性。燃?xì)忾y內(nèi)部節(jié)流主要發(fā)生在閥座間隙和閥座孔該位置易發(fā)生超聲速現(xiàn)象。本文的研究方法和結(jié)論為燃?xì)忾y噴射閥設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。